人類的大腦擁有約900億個(gè)神經(jīng)元，神經(jīng)元之間通過突觸相互連接形成了復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并由此產(chǎn)生各種復(fù)雜的功能。大腦能夠合成和釋放上百種神經(jīng)遞質(zhì)，神經(jīng)信號(hào)通過突觸釋放的神經(jīng)遞質(zhì)從而在神經(jīng)元之間進(jìn)行傳遞。

大腦中神經(jīng)元以復(fù)雜的通路投射到多個(gè)腦區(qū)，產(chǎn)生了學(xué)習(xí)認(rèn)知、成癮、情感、控制、動(dòng)機(jī)、獎(jiǎng)勵(lì)等豐富的功能。光纖記錄系統(tǒng)則可以通過檢測鈣離子和神經(jīng)遞質(zhì)的熒光變化程度來表征群體神經(jīng)元的活動(dòng)情況。由于光纖記錄實(shí)驗(yàn)操作較為簡便，目前在神經(jīng)科學(xué)研究中應(yīng)用越發(fā)廣泛。

本文將帶領(lǐng)大家了解一些光纖記錄的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用場景，幫助各位更好地了解光纖記錄在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用，以及分享光纖記錄如何助力研究新發(fā)現(xiàn)。

1. 抑郁——a片類藥物戒斷產(chǎn)生抑郁行為的分子環(huán)路機(jī)制[1]

抑郁是藥物戒斷產(chǎn)生的厭惡情緒中最為常見的一種，有研究發(fā)現(xiàn)k-a片類受體(KORs)參與a片類藥物戒斷誘發(fā)的抑郁樣行為，并且該行為與伏隔核(NAc)中多巴胺(DA)釋放減少有關(guān)。然而，KORs調(diào)節(jié)這種與a片類藥物戒斷相關(guān)的厭惡情緒的分子機(jī)制和神經(jīng)元回路目前尚不清楚。

Zan等人在mafei戒斷誘導(dǎo)的抑郁小鼠模型中，利用光纖記錄、膜片鉗、化學(xué)遺傳學(xué)和免疫組化等方法，揭示了mafei戒斷通過增加杏仁核中KOR配體dynorphin的表達(dá)來激活KORs，進(jìn)而激活p38 MAPK并促進(jìn)GLT1表達(dá)。GLT1的表達(dá)上調(diào)降低了杏仁核向NAc的谷氨酸輸入，從而促進(jìn)mafei藥物戒斷誘導(dǎo)的抑郁樣行為。

該研究中，Zan等人使用光纖記錄方法檢測mafei戒斷小鼠BLA-NAc神經(jīng)元投射的活性，發(fā)現(xiàn)mafei戒斷后懸尾測試小鼠的信號(hào)迅速下降，表明mafei戒斷降低杏仁核到NAc的興奮性突觸傳遞。

mafei戒斷降低杏仁核到NAc的興奮性突觸傳遞

2．記憶——下丘腦環(huán)路調(diào)控海馬神經(jīng)發(fā)生促進(jìn)記憶提取并對抗焦慮樣行為[2]

成年海馬神經(jīng)發(fā)生在記憶和情緒處理中起重要作用，海馬新生神經(jīng)元在DG中產(chǎn)生、成熟并整合到現(xiàn)有環(huán)路中，并且這個(gè)過程由神經(jīng)環(huán)路的活動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。然而，目前尚不清楚神經(jīng)環(huán)路修飾的海馬新生神經(jīng)元對動(dòng)物行為記憶的影響。

Li等人聚焦于SuM-DG環(huán)路修飾的ABN（成年新生神經(jīng)元）發(fā)育的不同階段，通過光纖記錄、光遺傳、化學(xué)遺傳、膜片鉗和譜系示蹤等方法，揭示了SuM-DG環(huán)路修飾成年海馬新生神經(jīng)元，促進(jìn)記憶提取和對抗焦慮。

在該研究中，Li等人使用光纖記錄方法檢測SuM-DG神經(jīng)元投射的活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在豐富環(huán)境（EE）中，小鼠SuM神經(jīng)元活性顯著增加，并且SuM消融后，EE誘導(dǎo)的神經(jīng)反應(yīng)和ABN介導(dǎo)的行為改善被消除，提示SuM-DG環(huán)路修飾的ABN能夠調(diào)控記憶行為。

小鼠SuM-DG神經(jīng)元在EE中活性增高

3. 精神障礙——mPFC-Notch1信號(hào)通過Hes1抑制GABAB1受體表達(dá)介導(dǎo)METH誘導(dǎo)的精神障礙[3]

甲基benbingan(METH，冰du)是一種被廣泛濫用的興奮劑藥物，大劑量或長期使用METH會(huì)誘發(fā)精神障礙(MIP)，目前人們對其發(fā)病機(jī)制還知之甚少，雖然Notch1信號(hào)通路已被證明在一些精神疾病的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮作用，但其在MIP中的作用仍不清楚。

Ni等人在METH小鼠模型，使用光纖記錄、免疫組化、WB、PCR以及行為學(xué)等方法，揭示了一個(gè)之前未被識(shí)別的Notch1-Hes1-GABAB1受體依賴機(jī)制，該機(jī)制涉及MIP中mPFC神經(jīng)元活動(dòng)和行為表型的調(diào)節(jié)，提出了Notch1信號(hào)傳導(dǎo)與MIP相關(guān)的神經(jīng)可塑性之間的重要關(guān)聯(lián)。

在該研究中，Ni等人為了驗(yàn)證在METH誘導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)缺陷中mPFC神經(jīng)元活性是否與Notch1信號(hào)有關(guān)，通過shRNA下調(diào)了mPFC神經(jīng)元NICD表達(dá)水平，并使用光纖記錄技術(shù)同步記錄mPFC神經(jīng)元的鈣信號(hào)：結(jié)果顯示第1天急性METH給藥后鈣信號(hào)顯著下降，而在第23天給藥后其鈣信號(hào)顯著下降后短時(shí)間內(nèi)又恢復(fù)正常，同時(shí)與給藥前信號(hào)相比顯著降低。而當(dāng)給予生理鹽水，急性期及激發(fā)期不同組信號(hào)均未見明顯變化，表明mPFC中NICD的下調(diào)可以減弱致敏小鼠的神經(jīng)元活性。

mPFC中NICD的下調(diào)可以減弱致敏小鼠的神經(jīng)元活性

4.疼痛——VPMntng1- S1B通路介導(dǎo)鎮(zhèn)痛新機(jī)制[4]

當(dāng)身體的某個(gè)部位在受到傷害感到疼痛時(shí)，我們會(huì)本能地對它進(jìn)行揉搓或按摩，以此減輕疼痛程度，這種現(xiàn)象被稱為觸摸介導(dǎo)的鎮(zhèn)痛。對于觸摸介導(dǎo)的鎮(zhèn)痛機(jī)制，振動(dòng)觸覺信息主要由初級軀體感覺皮層（somatosensory cortex, S1）處理，但S1在痛覺中的確切作用仍有爭議。相對而言，對于S1是否以及如何處理面部的痛覺信息目前仍然知之甚少。

Lu等人建立了一個(gè)觸摸介導(dǎo)的痛覺抑制的行為模型，使用了光纖記錄、化學(xué)遺傳學(xué)、在體鈣成像、免疫組化以及行為學(xué)評估等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，觀察到小鼠胡須拂動(dòng)產(chǎn)生觸覺信號(hào)能夠顯著緩解面部疼痛，而阻斷這一觸覺信號(hào)傳遞所依賴的丘腦到桶狀皮層（barrel cortex, S1B）環(huán)路，則導(dǎo)致該疼痛緩解作用消失。通過對S1B神經(jīng)元的鈣信號(hào)進(jìn)行分析，作者發(fā)現(xiàn)胡須拂動(dòng)改變了S1B神經(jīng)元對痛覺信號(hào)的處理，并推動(dòng)由傷害性刺激引起的神經(jīng)狀態(tài)向非傷害性的行為結(jié)果過渡。該研究表明，S1B整合了面部觸覺和痛覺信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了觸摸介導(dǎo)的鎮(zhèn)痛。

在該研究中，Lu等人為了檢測胡須拂動(dòng)產(chǎn)生觸覺信號(hào)是否需要依賴丘腦腹后內(nèi)側(cè)核（VPM）中表達(dá)Ntng1的神經(jīng)元（VPMNtng1），利用光纖記錄技術(shù)觀察到VPMNtng1神經(jīng)元對非傷害性的吹氣刺激的反應(yīng)比對傷害性的熱或機(jī)械刺激的反應(yīng)要更為強(qiáng)烈，這與VPM主要傳遞觸摸信號(hào)的作用相一致，表明胡須拂動(dòng)產(chǎn)生的觸覺信號(hào)確實(shí)可以緩解面部疼痛。

VPMNtng1神經(jīng)元主要向S1B傳遞觸覺信號(hào)，而非傷害性信號(hào)

上述研究中，研究人員們都采用了瑞沃德公司生產(chǎn)的光纖記錄系統(tǒng)，為實(shí)驗(yàn)的順利開展提供了助力。迄今，瑞沃德光纖記錄系統(tǒng)已助力國內(nèi)外100+高校的科研工作開展，如北京大學(xué)，浙江大學(xué)，斯坦福大學(xué)，倫敦大學(xué)學(xué)院等，并促成各大課題組研究成果在Nature Neuroscience等頂/級學(xué)術(shù)期刊發(fā)表。

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【參考文獻(xiàn)】

1. Zan Gui-Ying, Wang Yu-Jun, Li Xue-Ping et al. Amygdalar κ-opioid receptor-dependent upregulating glutamate transporter 1 mediates depressive-like behaviors of opioid abstinence.[J] .Cell Rep, 2021, 37: 109913.

2. Li Ya-Dong, Luo Yan-Jia, Chen Ze-Ka et al. Hypothalamic modulation of adult hippocampal neurogenesis in mice confers activity-dependent regulation of memory and anxiety-like behavior.[J] .Nat Neurosci, 2022, 25: 630-645.

3. Ni Tong, Zhu Li, Wang Shuai et al. Medial prefrontal cortex Notch1 signalling mediates methamphetamine-induced psychosis via Hes1-dependent suppression of GABA receptor expression.[J] .Mol Psychiatry, 2022, 27: 4009-4022.

4. Lu Jinghao, Chen Bin, Levy Manuel et al. Somatosensory cortical signature of facial nociception and vibrotactile touch-induced analgesia.[J] .Sci Adv, 2022, 8: eabn6530.